周鵬

（華僑大學(xué) 信息學(xué)院，福建 廈門 361021）

圖文菜單界面是一種操作簡(jiǎn)便、高效的交互形式，現(xiàn)已在各類嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用，如智能電子產(chǎn)品（智能測(cè)試儀、智能手機(jī)），它成為系統(tǒng)功能的”標(biāo)準(zhǔn)配置”。隨著單片機(jī)功能的提高和帶中文字庫(kù)的液晶顯示器成本降低，單片機(jī)系統(tǒng)上應(yīng)用圖文菜單已成為可能[1]。

本文設(shè)計(jì)了基于 STC12C5A60S2（簡(jiǎn)稱 STC12C）單片機(jī)的圖文菜單交互式系統(tǒng)，系統(tǒng)以圖文菜單驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能（時(shí)間顯示、溫度顯示和周期/頻率顯示），系統(tǒng)操作直觀、簡(jiǎn)便。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由內(nèi)置增強(qiáng)型8051的STC12C單片機(jī)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、時(shí)鐘芯片DS1302、液晶顯示器LCD12864（ST7920）和獨(dú)立鍵盤電路組成，如圖 1所示。STC12C單片機(jī)運(yùn)行交互式程序，是系統(tǒng)的核心；數(shù)字溫度傳感器測(cè)試溫度；時(shí)鐘芯片輸出時(shí)間；單片機(jī)內(nèi)置的可編程計(jì)數(shù)器陣列模塊（PCA）用于測(cè)周期/頻率；液晶顯示器顯示系統(tǒng)界面和被測(cè)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)由STC12C單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成，如圖2所示。STC12C單片機(jī)主要參數(shù)如下[2]：內(nèi)置60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器；片內(nèi)集成1 280 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；2個(gè) 16 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，內(nèi)置兩路 PCA模塊，可用于外部脈沖的捕捉、軟件定時(shí)和高速輸出，即實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的周期/頻率測(cè)試。

1.2 測(cè)周期/頻率電路

測(cè)周期/頻率電路由STC12C單片機(jī)內(nèi)置兩路可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）模塊構(gòu)成，PCA工作在捕捉模式時(shí)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖2 STC12C單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PCA測(cè)周期/頻率的原理為[3]：將 CAPPn或 CAPNn（n=0，1）置 1，外部信號(hào)由 P1.3（n=0）或 P1.4（n=1）輸入，同時(shí)將 CCON中的 CCFn（n=0，1）和 CCAPMn中的ECCFn（n=0，1）置 1，當(dāng)電路采樣到外部信號(hào)的邊跳沿（上跳沿、下跳沿或上/下沿），則引起中斷。如設(shè)置為上跳沿中斷，當(dāng)信號(hào)的第1個(gè)上跳沿來(lái)到，引起中斷觸發(fā)定時(shí)器T1計(jì)數(shù)；當(dāng)信號(hào)的第2個(gè)上跳沿來(lái)到，引起中斷觸發(fā)定時(shí)器T1停止計(jì)數(shù)；讀取計(jì)數(shù)值，根據(jù)機(jī)器周期算出被測(cè)信號(hào)的周期和頻率。

圖3 PCA模塊結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 數(shù)字測(cè)溫/時(shí)鐘電路

數(shù)字測(cè)溫電路由數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成，如圖4所示。它具有以下特點(diǎn)[4]：（1）測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，最高12位分辨率，精度可達(dá)±0.5℃；（2）可通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字溫度直讀；（3）可設(shè)置超限溫度報(bào)警，并有搜索命令識(shí)別報(bào)警條件；（4）單總線接口，僅需一條輸入輸出線（DQ）就能與單片機(jī)（P1.0）進(jìn)行通信。

圖4 DS18B20數(shù)字測(cè)溫電路

時(shí)鐘電路由時(shí)鐘芯片DS1302組成，如圖5所示。它是一種高性能、低功耗、采用三線接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可對(duì)時(shí)間和日期進(jìn)行計(jì)時(shí)[5]。

圖5 DS1302時(shí)鐘電路

1.4 液晶顯示電路

顯示器選用帶中文字庫(kù)、內(nèi)置ST7920控制芯片的液晶顯示器LCD12864，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的圖文界面和運(yùn)行狀態(tài)顯示，是重要的硬件接口。LCD12864與單片機(jī)接口電路如圖6所示。

圖6 LCD12864與單片機(jī)接口電路

LCD12864由 DDRAM（顯示數(shù)據(jù) RAM）、CGROM（字型產(chǎn)生ROM）、CGRAM （自定義字型產(chǎn)生 RAM）和GDRAM（繪圖 RAM）等組成[6]，DDRAM 和 GDRAM 是本系統(tǒng)圖文菜單顯示的主要模塊。

DDRAM提供64×2個(gè)位元組的空間，最多可控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型顯示，當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時(shí)，可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示HCGROM字型 （半角）、CGRAM字型及 CGROM的中文字型3種字型。液晶顯示器屏幕坐標(biāo)（AC地址）與DDRAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 屏幕AC地址與DDRAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

GDRAM提供64×32 B的空間，實(shí)際可控制 128×64點(diǎn)陣的二維繪圖緩沖空間。GDRAM的二維地址與液晶屏幕坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

1.5 鍵盤/報(bào)警電路

鍵盤電路由3個(gè)獨(dú)立按鍵組成，分別對(duì)應(yīng)菜單的圖標(biāo)上下移動(dòng)、確定和返回功能，如圖8所示。系統(tǒng)以巡回方式查詢是否有鍵按下并由軟件判定是何鍵按下，并執(zhí)行相應(yīng)的功能。

圖7 GDRAM二維地址與屏幕坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

報(bào)警電路（如圖 9所示）由 PNP三極管（9012）、蜂鳴器及單片機(jī)的控制引腳（P21）組成。當(dāng)溫度超限，P21引腳輸出一定頻率的信號(hào)，觸發(fā)蜂鳴器工作從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

圖8 獨(dú)立鍵盤電路

圖9 報(bào)警電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，流程框圖如圖10所示。

圖10 程序流程框圖

系統(tǒng)主要函數(shù)如下。

2.1 液晶顯示器函數(shù)

液晶顯示器函數(shù)包括液晶顯示器底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)、中西文字符顯示函數(shù)和打點(diǎn)/繪線函數(shù)。

（1）驅(qū)動(dòng)函數(shù)

TestLcdIdle（）、WriteLcdCommand（）、WriteLcdData（）和ReadLcdData（）分別為液晶顯示器的忙檢測(cè)、寫入命令、寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)。

（2）中西文字符顯示函數(shù)

Set DdramDot、DisplayDdramChar（）和 DrawGdramSelfChar（）分別為設(shè)定顯示中文字符的坐標(biāo)起點(diǎn)、中西文字符顯示和自定義字符顯示。

（3）打點(diǎn)/繪線函數(shù)

SetGdramDot（）、DrawGdramLine（）和 DrawGdramCircle（）分別為描點(diǎn)、畫線和畫圓。

2.2 DS18B20測(cè)溫函數(shù)

DS18B20測(cè)溫函數(shù)包括啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)、讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)和字符轉(zhuǎn)換函數(shù)。

InitDs18b20（）、WriteOneByte（）、ReadData（）、DataToString（）和 DisplayTEMP（）分別為啟動(dòng) DS18B20、寫命令/數(shù)據(jù)、讀出溫度（實(shí)測(cè)溫度/上下限溫度）、轉(zhuǎn)換為顯示字符以及顯示實(shí)測(cè)溫度/上限溫度。

2.3 菜單操作函數(shù)

菜單操作函數(shù)包括菜單/圖標(biāo)顯示函數(shù)、鍵值獲取函數(shù)以及相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)函數(shù)。

InitMenu（）、ShowMenu（）、GetKeyValue（）和 GetUserChoose（）分別為初始化菜單（定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，內(nèi)含菜單項(xiàng)目數(shù)，函數(shù)指針和父/子菜單指針）、菜單界面顯示、判定/獲取鍵值函數(shù)（狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)[1]，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率）以及調(diào)用與鍵值相關(guān)函數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行

（1）圖 11（a）中的圖標(biāo) 指向“時(shí) 間顯示”，按 下“確定”鍵（P23）后，即跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示（圖 11（b））。 圖 11（b）中，陽(yáng)歷日期的格式為年/月/日；數(shù)字時(shí)鐘的格式為小時(shí)：分鐘：秒；指針時(shí)鐘的圓心以屏幕坐標(biāo)（0，0）為起點(diǎn)，坐標(biāo)是（96，32），時(shí)鐘半徑為 31；秒/分/時(shí)針與實(shí)時(shí)數(shù)字時(shí)鐘對(duì)應(yīng)；初始時(shí)間可通過(guò)程序設(shè)定；按 “返回”（P24）即可跳回菜單界面。

圖11（d）中，“29.07℃”代表實(shí)測(cè)溫度值；“S：25℃”代表設(shè)定的上限溫度值；溫度曲線中的實(shí)線為實(shí)測(cè)點(diǎn)繪制，虛線為上限溫度值，曲線直觀地反映了實(shí)時(shí)溫度變化情況。

圖11（f）中，被測(cè)信號(hào)為信號(hào)發(fā)生器輸出的方波，周期為 100 μs～1 000 μs， 幅值為+5 V；T 為周期，f為頻率；所繪方波為被測(cè)信號(hào)的示意波形，每刻度一個(gè)周期；所測(cè)周期誤差≤5 μs。

實(shí)驗(yàn)表明，基于STC12C單片機(jī)的圖文菜單系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)操作直觀、簡(jiǎn)便，功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為下一步開(kāi)發(fā)多級(jí)菜單系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

[1]賈志成，程敏，宋濤，等.基于狀態(tài)機(jī)的 LCD多級(jí)菜單設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（2）：73-75.

[2]劉晉，王政林，薛凱方.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的LED 顯示屏硬件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（22）：24-27.

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[4]孫明利，鮑健，張爍.單總線技術(shù)及 DS18B20的溫度測(cè)量實(shí)現(xiàn)[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，5（4）：322-326.

[5]黃明強(qiáng).DS1302在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].保定師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2004，17（2）：30-33.

[6]田開(kāi)坤.基于LCD12864顯示器的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)[J].電子制作，2011（5）：30-37.